Khoa học về sự kết hợp siêu thanh ở động cơ Ramjet

Động cơ Ramjet đại diện cho một trong những động cơ di chuyển sang trọng và đòi hỏi các khái niệm đẩy trong kỹ thuật không gian khí. Không giống như máy gia tốc thông thường, một máy nén điện tử không có dao nén di chuyển. Thay vào đó, nó phụ thuộc hoàn toàn vào chuyển động của phương tiện để nén khí vào không khí. Thiết kế này làm cho nó hiệu quả một cách phi thường ở tốc độ siêu âm, nhưng cũng tạo ra một nút thắt then chốt: duy trì cháy ổn định khi không khí và nhiên liệu di chuyển nhanh hơn tốc độ âm thanh. không có ngọn lửa vững chắc, có thể bị cháy, áp suất, gai, hoặc hoàn toàn không hiệu quả.

Vật lý đặc biệt của sự phân hủy siêu thanh trong xe hơi

Để hiểu được những thách thức, trước hết ta phải nắm bắt cách một máy bay điện tử hoạt động. Không khí vào trong tốc độ siêu âm, được tăng tốc qua một loạt sóng xung lực và cú sốc thông thường, và sau đó đi vào tursator tại vận tốc siêu âm hoặc siêu âm thấp phụ thuộc vào thiết kế động cơ (ramjet vsjet. scramjet). Trong một hệ thống thông thường, dòng chảy bằng pin là thấp hơn so với thời gian sử dụng các chất liệu trong không khí và giảm tốc độ cao nhất định vẫn còn lại siêu tốc độ không khí siêu nhiên liệu trong không khí trong không khí.

Thời gian cư trú trong một máy đốt nhiên liệu siêu âm có thể ngắn như một vài phần nghìn giây trong cửa sổ, nhiên liệu phải được tiêm, nguyên tử hóa, bốc hơi, trộn lẫn với luồng khí, và đốt cháy tất cả trong khi giữ ngọn lửa ổn định trước các lực gây nhiễu của các lớp lông, sóng xung động và nhiễu loạn bất cứ sự lệch nào có thể dẫn đến sự bùng nổ của lửa hoặc sự thiếu hụt bạo lực.

Những thử thách nghiêm trọng về khả năng định hướng trong các siêu động cơ

1. Áp suất gây sốc và độ nhiệt độ

Sóng xung động là một tính năng không thể tránh được của dòng chảy siêu âm. Trong bộ lược nhiệt điện tử, các cơn giật có thể phản ánh các bức tường, tương tác với vùng lửa, và gây ra sự thay đổi đột ngột trong áp suất tĩnh và nhiệt độ. Những cú sốc này tạo ra độ dốc dốc có thể làm suy giảm các ngọn lửa bằng cách thay đổi tỷ lệ cân bằng địa phương hoặc tạo ra các vùng tuyệt chủng địa phương. Con tàu xung đột có thể kết hợp với nhiệt nóng, dẫn đến các yếu tố nhiệt độ điện được gọi là dao động mạch nhiệt. Những sóng này có thể tăng lên trong tình trạng nhiễu và cấu trúc cấu trúc gây ra sự ảnh động cơ bị ảnh giật và sự ổn định chính là yếu tố gây ra sự lo ngại cho vùng vẫy tay.

2. Pha trộn hỗn độn và làm cháy lửa

Trong một bộ ắc quy siêu âm, việc tiêm nhiên liệu phải tạo ra sự pha trộn nhanh chóng với không khí. Tuy nhiên, động lượng cao của luồng khí đẩy khiến cho máy bay không khí khó xuyên thủng và trộn hoàn toàn. Sự trộn lẫn tạo ra túi đầy nhiên liệu và vùng nghiêng, kết quả là đốt cháy không đầy đủ và nhiệt độ không hiệu quả. Những không có biến dạng này có thể thay đổi tốc độ truyền tải và gây ra sự thổi tắt nội bộ. Hơn nữa, việc neo nó bị thổi bay xuống phía dưới -- cần thiết phục hồi lại vùng hoặc chủ sở hữu lửa tạo ra sự mất ổn định gây ra sự nhiễu nhiệt.

3. Căng thẳng nhiệt và giới hạn vật chất

Nhiệt độ bên trong một bộ lược siêu thanh có thể vượt quá 2.500 °C (4.500 °F), đặc biệt khi dùng nhiên liệu làm mát bằng hydro cacbon hay hydro. Những nhiệt độ này nằm ngoài điểm nóng chảy của các siêu hợp kim đồng ni lông thông thường. Các bức tường động cơ phải được làm mát tích cực sử dụng nhiên liệu làm mát hoặc thông qua các kênh làm mát tạo nhiệt, nhưng sự làm mát có thể ảnh hưởng đến khí động lực của bộ lọc và sự giãn nở nhiệt có thể làm lệch hướng dòng chảy, vị trí xung đột và giảm hiệu suất nhiệt. Việc kết hợp giữa bộ quản lý nhiệt và sự ổn định đòi hỏi thiết kế cẩn thận.

4 Sự kích thích và lời tuyên truyền bằng lửa ở tốc độ cao

Việc phát ra dòng chảy siêu âm không đơn giản như việc thêm một bộ cắm điện. Ở tốc độ cao, tốc độ đốt cháy của hỗn hợp nhiên liệu phải lớn hơn vận tốc nhiên liệu để truyền tải ngược dòng. Đối với nhiên liệu phụ, tốc độ đốt cháy thường thấp hơn tốc độ siêu âm, nghĩa là phải bị buộc phải sử dụng lửa, đuốc plasma, hoặc pháo sáng cao. Ngay cả sau khi bật lửa liên tục, cần phải giải phóng nhiệt bằng cách trộn lẫn nhiệt.

5. ngọn lửa làm cơ khí và giới hạn của chúng

Thiết bị giữ lửa thông thường bao gồm các khoang, bước và các thanh trục. Phần tử đốt cháy tạo ra một vùng tái tạo âm thanh bên trong dòng khí quyển siêu thanh, cho phép các sản phẩm nóng được tái tạo và đốt cháy nhiên liệu đang đến. Tuy nhiên, các lỗ hổng có thể tạo ra dao động thấp nếu không kích cỡ đúng. Các bộ phận phun nhiệt, mà dẫn vào dòng chảy, cung cấp sự trộn lẫn và giữ lửa, nhưng cũng có thể kéo và dễ bị hư hỏng. Hình học cần được tối ưu hóa để duy trì một ngọn lửa ổn định trên phạm vi rộng của các chuyến bay Mach, là một vấn đề đa biến đổi.

Chiến thuật và cải tiến khả năng ổn định

Công nghệ hấp thụ nhiên liệu cao

Thiết kế kiểu pinjet hiện đại sử dụng các cổng tiêm phòng góc, ống tiêm, và các khái niệm tiêm khí động lực để khai thác sóng xung kích để tăng cường sự pha trộn. Ví dụ, tiêm nhiên liệu chỉ vào dòng chảy xung kích có thể sử dụng áp suất tăng lên để thâm nhập sâu hơn vào dòng khí quyển. tiêm áp suất hoặc tiêm lên cả hai dòng và xuôi dòng) có thể điều chỉnh việc phân phối nhiên liệu để phù hợp với cấu trúc siêu âm địa phương.

Thiết kế lửa

Tính năng dung dịch tính năng tính toán (CFC) đã cho phép các nhà nghiên cứu khám phá hàng ngàn hình học trong khoang và các phần sâu để tìm cấu hình tối đa khi thu hồi lực kéo và dao động. Kết hợp các khoang với kênh làm mát và dùng việc bơm nhiên liệu tạm thời có thể chặn các điểm không có khả năng. Một số thiết kế sử dụng khái niệm "bập tắt", nơi một khoang ổn định hoạt động như là một nguồn đốt liên tục. Những bộ giữ lửa dựa trên trục này đặc biệt hiệu quả cho động cơ kéo và đã hiển thị hứa trong các cuộc thử nghiệm tại 6 Mach- 8- 8

Điều khiển hoạt động của Shockwave–Flame interoctions

Một chiến lược mới nổi bao gồm việc điều khiển phản hồi. cảm biến áp suất được đặt dọc theo bức tường bộ lược này phát hiện sự khởi động của dao động hay chuyển động giật. để đáp ứng, tốc độ bơm nhiên liệu hoặc tiêm được điều chỉnh để điều chỉnh sự phân phối nhiệt độ. bộ điều khiển đóng có thể giảm khả năng kiểm soát trước khi chúng phát triển đến độ cao nguy hiểm. một cách tiếp cận khác sử dụng các động cơ cơ nhỏ hoặc khe cắm máu để thay đổi cấu trúc xung lực, do đó thay đổi nhiệt độ và áp suất trong vùng đốt cháy.

Quản lý vật chất và nhiệt độ

Các chất gốm nhiệt độ cao, ma trận đồ gốm (CMC), và các bon tổng hợp được dùng để chịu được những vật liệu nhiệt cực đỉnh. Lấy thí dụ, chất carbon có cấu trúc cao được dùng trong việc chế tạo tên lửa. Thêm vào đó, việc làm lạnh lại bằng nhiên liệu (dùng máy lạnh thời gian). Các luồng nhiên liệu trong các kênh làm mát trước khi được tiêm, nhiệt độ hấp thụ và nhiệt độ thấp hơn. Tính năng này tăng cường nhiên liệu, tăng cường năng lượng. Độ nhiệt độ cao (T/ richtering) bảo vệ các thành phần kim loại trực tiếp từ lửa.

Sự tiến bộ về mô phỏng và mô phỏng

Năng lượng tính toán cải tiến cho phép các nhà nghiên cứu chạy các lề thổi phồng, xác định tần số phản ứng siêu âm (LES) của các luồng siêu âm. Những mô phỏng này thu lại các tương tác phức tạp giữa các luồng nhiễu, xung động và phản ứng hóa học. Chúng có thể dự đoán các trục phóng điện cực mạnh, xác định tần số phản ứng lại, và hướng dẫn vị trí của các máy phun nhiên liệu. Cùng với việc thử nghiệm trong các đường dẫn gió siêu âm, những công cụ này đang tăng tốc độ thiết kế của bộ lược bộ lọc động cơ.

Nhìn về tương lai: Con đường dẫn đến sự tán tỉnh siêu thanh đáng tin cậy

Nhiệm vụ khởi động siêu âm ổn định không chỉ là một bài tập nghiên cứu học tập. Nó làm nền tảng cho sự phát triển của tên lửa siêu thanh, có thể khởi động lại phương tiện, và có khả năng sử dụng máy bay thương mại tốc độ cao. Việc [FLT: 0] U.S. Lực lượng nghiên cứu không quân và [FLT2] [FLT:] có chương trình vận hành [FL: 3] đang tiếp tục sử dụng không khí với hoạt động vi mô kéo dài. Thử nghiệm như là [FLTTTTTTTT] và [FTTTT] có thể sửa đổi nhiều phút] để đạt được các thiết bị thay đổi không khí và có khả năng vận hành.

Một hướng khác hứa hẹn là động cơ đôi ramjet (DMR) hoạt động như một chiếc xe lửa với tốc độ gấp đôi và chuyển đổi để chạy nhanh tốc độ cao hơn. những động cơ này phải duy trì sự ổn định đốt cháy trong một phạm vi rộng của điều kiện trong mực nước, mà đòi hỏi biến đổi hình học hoặc nhiên liệu phun. các thuật toán điều khiển cấp cao, có thể tái kết hợp máy học, có thể điều chỉnh trạng thái động cơ trong thời gian thực để tránh bất ổn định.

Nghiên cứu về nhiên liệu thay thế, như hydro carbon với động cơ nhanh hơn, có thể giảm các thách thức của việc trộn lẫn và đốt cháy. Hơn nữa, sự kết hợp giữa đốt cháy plasma và nhiệt độ kết hợp với nhau - nơi mà sự thải ra các loại phản ứng cực mạnh có thể mở rộng phong bì hoạt động ổn định.

Con đường tiếp tục sẽ kết hợp thiết kế mô phỏng, thử nghiệm mặt đất trong đường hầm siêu âm và tăng cường các thí nghiệm về sự ổn định cháy bỏng giúp nhân loại gần hơn với lực đẩy khí siêu thanh thực tiễn. đối với các kỹ sư và các nhà khoa học làm việc trong lĩnh vực này, mỗi phần nghìn giây của ngọn lửa ổn định trong một bộ lược siêu thanh là một chiến thắng vượt qua những giới hạn đòi hỏi nhất của tự nhiên.